隨著人類對石油基材料及化學(xué)品需求的不斷增加，導(dǎo)致各種環(huán)境及能源危機問題日益嚴重。當前世界正從依賴化石能源的時代過渡到更多依靠可再生和可持續(xù)能源供應(yīng)的時代。在這個時代的轉(zhuǎn)變中，樹木作為最豐富的可再生生物資源，將在我們未來的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮越來越重要的作用，同時也引起了人們將其用于先進材料和生產(chǎn)的廣泛關(guān)注。樹木包含復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和組分，盡管已有大量的綜述性工作報道了木材基功能材料及器件的先進應(yīng)用，但鮮有工作系統(tǒng)的總結(jié)樹的各個部分的結(jié)構(gòu)、化學(xué)特性及其在能源、電子器件、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境等應(yīng)用領(lǐng)域的最新研究進展。
【成果簡介】
鑒于在樹基功能材料領(lǐng)域的創(chuàng)新工作與積累，近日，Advanced Materials在線刊登了美國東北大學(xué)祝紅麗教授團隊關(guān)于樹基生物聚合物作為可持續(xù)多功能材料的研究進展的總結(jié)。題目是“Biopolymers derived from trees as sustainablemultifunctional materials: a review”（DOI：10.1002/adma.202001654），劉超博士為論文的第一作者。文章首先系統(tǒng)的總結(jié)了樹木不同部位（樹干、樹皮、樹葉、花、種子以及根）的結(jié)構(gòu)、化學(xué)特性和生物聚合物基功能材料的制備方法，尤其對生物聚合物基功能材料在能源、電子器件、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究進展做了著重介紹（圖1），最后對這些功能材料進一步市場化所需解決的問題和未來的研究方向做了展望。
【研究內(nèi)容】
1.樹干的結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分及先進應(yīng)用。
1.1受木材分級結(jié)構(gòu)啟發(fā)的功能材料及應(yīng)用
樹干作為人類使用樹木的最重要的部分，因其成本低廉，重量輕，具有高的強度、韌性，易加工性和耐用性，已經(jīng)被廣泛用于燃料、建筑、家具制造等領(lǐng)域（圖2）。木材固有的機械強度之所以能夠?qū)崿F(xiàn)工程應(yīng)用，主要是由于其宏觀，微觀和分子結(jié)構(gòu)（包括具有不同微細纖維取向的S1-S2-S3層組成的細胞壁，氫鍵以及晶體結(jié)構(gòu)和分子間/分子內(nèi)的不同聯(lián)接鍵）。同時，木材從分子到微觀細胞壁到宏觀纖維的這種獨特的分級結(jié)構(gòu)也啟發(fā)著人類探索更多關(guān)于木材的先進功能材料及器件。木材固有的物理和化學(xué)特性（包括微觀層次的多孔結(jié)構(gòu)和定向排列的通道，各向異性的細胞壁原纖維和大量的氫鍵）為應(yīng)用提供了可能，同時這些特性也將被用于木材的進一步功能化（圖3）。另外，作者也提出了在進行這些研究時應(yīng)該注意的問題：（1）由于不同樹種的細胞幾何結(jié)構(gòu)存在顯著差異，甚至同一物種生長在不同區(qū)域，其多孔結(jié)構(gòu)和通道也可能不同，因此，在木基功能材料和器件制備中，識別適合于特定應(yīng)用的具有不同微觀結(jié)構(gòu)的各種木材仍然是需要進一步研究的課題。（2）在研究木材基的功能性工程材料時，包括機理闡述的片面性、脫木質(zhì)素的均勻性仍然存在著很大的挑戰(zhàn)。
1.2 木材的化學(xué)組分及其生物聚合物基新型功能材料及器件
木材的化學(xué)組分主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。文章在這一部分首先簡要的講述了木材中的纖維素、半纖維素、和木質(zhì)素這三種生物聚合物的基本結(jié)構(gòu)、制備及提純方法。然后著重的介紹了近幾年來纖維素基、半纖維素基和木質(zhì)素基功能材料和器件的制備及其在能源、電子器件、環(huán)境及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的先進應(yīng)用：
首先，得益于納米纖維素的獨特結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的力學(xué)性能、較低的熱膨脹系數(shù)、較高的增強潛力和透明度，是智能材料和產(chǎn)品理想的構(gòu)成元素。文章詳細總結(jié)了近期纖維素納米纖維（CNF）和纖維素納米晶（CNC）基的先進功能材料，如一維（1D）纖維、二維（2D）薄膜和紙張、三維（3D）水凝膠和氣凝膠，這些材料是以納米纖維素為基礎(chǔ)，通過自下而上的方法制備而成，如圖4~圖7。
接著，文章總結(jié)了半纖維素經(jīng)改性合成新型的半纖維素基衍生物的研究進展，詳細闡述了其在生物醫(yī)學(xué)、包裝等領(lǐng)域的應(yīng)用（圖8）。
然后，文章又概述了將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為高附加值材料用于儲能、生物醫(yī)學(xué)和吸附的最新研究進展，如圖9~圖10所示。
2.樹木的其他部位用于可持續(xù)多功能材料
現(xiàn)有大量的高質(zhì)量綜述性論文專注于總結(jié)木材基的先進功能材料及器件。盡管近些年來也涌現(xiàn)出大量的關(guān)于樹木的其他部位，包括樹皮、樹葉、花、種子和樹根，用于可持續(xù)功能材料的研究性論文。但鮮有綜述性論文對其進行詳細的總結(jié)，接著，文章結(jié)合樹木不同部位的結(jié)構(gòu)特點、化學(xué)組分及特性詳細的闡述了樹木不同部位及其內(nèi)部生物聚合物基功能材料在能源、結(jié)構(gòu)材料、電子器件、環(huán)境及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用：
2.1 樹皮衍生的先進功能材料
樹皮豐富，可再生，廉價且可廣泛獲得，但樹皮在木材工業(yè)中通常被視為廢料。近年來，樹皮的高值化利用越來越受到研究者的重視，文章總結(jié)了樹皮高值化利用的最新研究進展，討論了樹皮衍生的多功能材料和應(yīng)用的代表性示例（圖11）。
2.2 樹葉衍生的先進材料和器件
樹葉通過光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，儲存在多糖等碳水化合物分子中，為樹木提供能量和營養(yǎng)物質(zhì)。樹葉含有多種成分，如多酚、植物色素等，可為吸附提供活性位點；以及抗菌，催化活性等的提取物。這些固有特性為葉子的應(yīng)用提供了巨大的潛力，文章主要概述了葉子衍生的材料在環(huán)境、催化和能源領(lǐng)域的最新研究進展（圖12）。
2.3 花衍生的先進材料和器件
接著，文章闡述了實現(xiàn)花的高值化利用的兩種主要途徑：（1）將花中提取的染料作為集光材料和氧化還原材料應(yīng)用于儲能領(lǐng)域；（2）對花進行一步熱解活化處理，得到可用于環(huán)境吸附和儲能領(lǐng)域的活性炭（圖13）。
2.4 種子衍生的功能材料和器件
然后文章總結(jié)了各種類型的種子和榨油后的種子廢棄物用于功能材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和潛力，如種子中提取的成分用于制備功能材料和器件，種子或種子廢料制備碳基材料用于能源和環(huán)境應(yīng)用（圖14）。
【總結(jié)與展望】
在這篇綜述中，系統(tǒng)地回顧了樹木不同部位的生物衍生材料在可持續(xù)功能材料方面的最新成就。樹木不同部分的應(yīng)用因其化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)而異。傳統(tǒng)上，木質(zhì)產(chǎn)品已用于建筑，家具，運輸，燃燒和造紙。最近，人們進一步探索了木材的固有結(jié)構(gòu)和成分，以進行材料功能化和設(shè)備制造，包括分層結(jié)構(gòu)和介孔結(jié)構(gòu)，各向異性的細胞壁排列，分子的化學(xué)特征和氫鍵等。樹木的生物聚合物具有獨特的特點。例如，納米纖維素已被用作構(gòu)建基塊，以設(shè)計各種先進的材料和構(gòu)造，并在能源，電子和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。疏水化可以促進半纖維素的許多工業(yè)應(yīng)用。最近的工作表明，疏水化后的半纖維素可廣泛用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（例如，傷口敷料和藥物釋放）和運輸包裝領(lǐng)域。樹皮中的單寧和從花中提取的染料由于其芳香結(jié)構(gòu)和提供可逆氧化還原位點的各種活性基團，也已用于能量存儲。來自種子的多糖具有優(yōu)異的成膜性和生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)研究中引起了極大的興趣。已經(jīng)開發(fā)出具有良好還原性的葉提取物用于金屬納米顆粒合成。此外，樹的不同部分中的成分可用于通過碳化來制造活性炭，這在能量存儲和環(huán)境吸附領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。
盡管在各個研究領(lǐng)域都研究了樹木的生物聚合物的材料，結(jié)構(gòu)，性能和應(yīng)用之間的關(guān)系，但是由于不同樹木類型甚至不同地區(qū)的同一棵樹木的細胞幾何結(jié)構(gòu)存在顯著差異，因此其結(jié)構(gòu)和組成可能有很大的不同。因此，在木質(zhì)材料和設(shè)備中應(yīng)進一步考慮具有適當微觀結(jié)構(gòu)的木材多樣性。為了將樹木的結(jié)構(gòu)和材料商業(yè)化以進行新的應(yīng)用，需要做出各種努力，包括：（1）開發(fā)環(huán)境友好的綠色途徑以生產(chǎn)基于樹木的衍生物或可持續(xù)的功能材料；（2）提高材料和設(shè)備的可擴展性，壽命和耐用性，以確保它們?yōu)轭A(yù)期的應(yīng)用程序提供足夠高的性能；（3）開發(fā)技術(shù)，以充分利用非木材產(chǎn)品的成分和結(jié)構(gòu)，例如樹皮，樹葉，花朵，種子和根。（4）制定完善的表征標準。我們希望未來的研究將為基于樹的材料提供更多令人振奮的想法和靈感，并為大量應(yīng)用提供出色的性能。
課題組鏈接：
